專利名稱：熱作模具近終形鑄造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱作模具近終形鑄成型方法。
背景技術：
模具是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品制造的重要工藝裝備，熱作模具在整個模具市場中占有較大份額。隨著世界各國工業(yè)化發(fā)展步伐的加快，產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，熱作模具需求量將急劇增加，發(fā)展勢頭強勁，市場潛力巨大。但目前各國熱作模具制造仍多采用鍛造模塊經(jīng)機加工制模的傳統(tǒng)工藝，不僅能源消耗大、燒損合金、污染環(huán)境、易產(chǎn)生鍛造廢品，而且材料利用率低、切削加工量大、制造周期長、廢棄模具及切屑、料頭等難以回收利用，造成Cr、Mo、Ni等大量貴重合金資源的浪費。廢棄模具的積存也將加大，能源、動力、原材料供應將日趨緊張，環(huán)保問題更為突出。為改變目前較為落后的模具制造技術與生產(chǎn)發(fā)展不相適應的嚴峻現(xiàn)實，加速開發(fā)研究新的模具成型制造技術及廢棄模具再生回用技術已成為當務之急。
鑄造技術直接由液態(tài)金屬成形，成本低廉、適應性強，可制成形狀復雜、其它方法無法加工、有特殊要求的鑄件，從最初的原材料開始直到制成成品，能夠很方便地實現(xiàn)材料的循環(huán)使用和再生回用，是最重要、最經(jīng)濟、最便捷的材料成形工藝之一。因此，以鑄代鍛、用鑄造方法制造模具不僅是材料工作者多年夢寐以求的宿愿，也是模具制造技術新的發(fā)展方向。實現(xiàn)這一目標的關鍵是發(fā)揮鑄造材料設計靈活、高強韌化、高功能化的特點，開發(fā)新的精密成型技術即凈形、近終型鑄造成型技術，大幅度提高鑄件的尺寸精度和表面光潔度，實現(xiàn)綠色鑄造。
自二十世紀八十年代以來，用鑄造方法制造復雜高精度、低粗糙度熱鍛模具已得到世界各國的高度重視，被譽之為鍛造生產(chǎn)的革命性轉變。迄今為止，已用于模具制造的精鑄成型技術主要包括熔模鑄造、陶瓷型鑄造、熱固性樹脂砂型鑄造、涂層轉移法鑄造等。
熔模鑄造又稱失蠟鑄造，是最重要的精密鑄造成型方法之一。該法首先用易熔材料制成精確光潔的模樣，在其上涂覆多層耐火材料或灌注耐高溫陶瓷漿料，硬化干燥后制成型殼，然后使鑄型中模樣熔化流出，最后把熔化的金屬液澆入焙燒后的鑄型，得到精確光潔的鑄件。尺寸精度可達CT5～7，表面粗糙度可達Ra1.6～12.5μm。此種方法適合于鑄造形狀復雜、精度要求高或其它方法難以加工成型的小型精密鑄件。許多國家都采用該法鑄造模具，包括小型鍛模、玻璃模具以及壓鑄模鑲嵌件等。該法的缺點是工藝過程較復雜，不易控制，使用和消耗的材料也較貴，型殼用砂不能回用，且較大型鑄件難以生產(chǎn)。
陶瓷型鑄造又稱肖氏鑄造法，是五十年代由英國人諾爾.肖氏首先研究成功的。其實質(zhì)是以耐火度高、熱膨脹系數(shù)小的耐火材料作為骨料，用經(jīng)過水解的硅酸乙脂作為粘結劑而配制成的陶瓷型漿料，在堿性催化劑作用下，經(jīng)過灌漿、結膠、硬化、起模、噴燒、焙燒等一系列工序制成表面光潔、尺寸精度高的陶瓷鑄型，最后澆入液態(tài)金屬。該法所得鑄件尺寸精度可達CT4～8級，表面粗糙度可達Ra3.2～12.5μm。在美國第64屆鑄造年會上，該工藝就被認為是當時制造鑄造模具最適宜的方法之一。據(jù)介紹， 60年代末期美國在錘鍛模、擠壓模和熱墩模方面的鑄造模具已大量應用。此外，一些塑料制品用模，壓鑄模、金屬型以及多種金屬模型，芯盒，切削工具等都采用鑄造方法生產(chǎn)。在其它國家，如英國、德國、日本等國家用陶瓷型生產(chǎn)各種工模具也日見普遍。我國從70年代開始用陶瓷型鑄造方法生產(chǎn)柴油機搖臂鍛模、合金鋼連桿模具等，型腔預留加工量很少，大大縮短了制模周期，成本比機加工模明顯降低。該法的缺點是造型工藝過程較復雜，周期長，每個過程都要嚴格控制，使用和消耗的材料昂貴，造型材料不能回用，且鑄型表面容易發(fā)生宏觀裂紋，鑄件表面有一定厚度的脫碳層。
涂層轉移法是70年代末日本小松制作所發(fā)明的“先上涂料后造型”的工藝方法，當時稱此法為小松(Komatsu)-山西(Yama mishi)法，簡稱K-Y法。以后經(jīng)過進一步發(fā)展成為新K-Y法。該方法是先將液態(tài)涂料倒入芯盒，然后傾轉芯盒，使其表面均勻地涂掛上一層涂料，倒出多余涂料，用樹脂砂充填芯盒后移至微波爐內(nèi)加熱，待樹脂砂固化后取出砂芯。制得的砂芯不僅具有足夠的強度，而且表面已牢牢附著一層光滑的轉移過來的涂層。由于涂料膜能精確復制出芯盒的內(nèi)腔表面，因此所得鑄件表面光滑、尺寸精確，使砂型鑄造實現(xiàn)了精密化。前蘇聯(lián)在上個世紀80年代開始此項研究，開發(fā)出適于樹脂覆膜砂的涂層轉移法。我國這方面的研究主要從90年代開始，在涂料轉移部位(模樣-砂型、芯盒-砂芯)、施涂方法(刷、噴、流、浸)、造型用砂(樹脂砂、水玻璃覆膜砂等)、涂層固化方法(微波加熱、化學自硬等)各個方面的研究都取得一定成效，近年來正試驗用于簡單的模具制造(如上海交大鑄造實驗室用涂層轉移法鑄造模具的試驗工作)。
熱固性樹脂砂型鑄造是由前蘇聯(lián)汽車工藝研究所開發(fā)的，也稱為熱反應一次性組合型鑄造工藝，它屬于殼型鑄造的一種變形。采用干的機械混合或覆膜的造型材料，直接投入預熱到200～250℃的金屬模型上以制造半型。在造型爐內(nèi)加熱700℃以下固化，脫模整個周期很短。上下鑄型具有與金屬型完全相同的型腔輪廓，組合后(不用砂箱)直接澆注。在凝固與隨后冷卻過程中，砂型大多自動碎裂，使用后造型材料在沸騰床裝置中(750～900℃)進行熱法再生，燒去粘結劑。造型材料主要采用鋯砂(ZrO2·SiO2)，ZrO2含量約65％。粘結劑采用熱反應型樹脂лк-104，是酚醛樹脂與烏托品的粉狀混合物。若采用機械混合方式制備型砂時，一般還用煤油做浸潤劑，但采用覆膜砂時，不需浸潤劑。該工藝在莫斯科汽車廠、卡馬河汽車廠和明斯克汽車廠等廣泛采用，若用標準工藝裝備，可以達到相當高的機械化水平，前蘇聯(lián)約有80％的鑄造熱鍛模具使用這種工藝。但熱固性樹脂砂型精密鑄造法對型砂的要求較高，所用型砂的耐火度要高、熱膨脹系數(shù)要小，無多晶型轉變，并具有優(yōu)良的礦物學特性，型砂的配制和再生設備價格昂貴，需要的投資大，且澆注時有氣體污染環(huán)境。
綜上所述，陶瓷型在鑄造熱作模具生產(chǎn)中應用最為普遍，熔模鑄造也常用來制造形狀復雜的小型精密模具，熱固性樹脂砂鑄造模具在前蘇聯(lián)用的較多，涂層轉移法鑄造模具近年來也有報導。但上述各種方法幾乎都是化學成型方法，因而帶來一些難以克服的弱點1)造型工藝復雜，操作要求嚴格，易出鑄造廢品；2)所用化學粘結劑、固化劑等消耗多、價格貴，產(chǎn)生有害氣體污染環(huán)境，難以實現(xiàn)綠色鑄造；3)對型砂的粒度、純凈度等均有較高的要求，不易實現(xiàn)低成本生產(chǎn)；4)砂處理設備和工藝復雜、舊砂回用困難、浪費資源及能源，廢棄的舊砂亦造成較大的環(huán)境負擔。V法鑄造又稱真空密封鑄造、真空薄膜造型、減壓造型或負壓鑄造。它通過真空吸力把加熱呈塑性的塑料薄膜附著在模樣或模板上并精確復制其形狀，然后向特制的砂箱內(nèi)填入無粘結劑的干砂，借助真空造成的砂型內(nèi)外壓力差使型砂緊實、成型，起模后下芯、合箱即可澆注。該法1971年出現(xiàn)于日本，1974年以后研究者增多。但作為一種新的物理成型方法，V法鑄造還處在持續(xù)開發(fā)研制階段，系統(tǒng)的工藝理論尚未建立，實際應用時常出現(xiàn)塌箱、粘砂、裂紋等問題，工藝過程各階段可供參考的工藝參數(shù)如真空度及其保持時間等還不成熟，對V法精鑄成型產(chǎn)生的缺陷如鑄造裂紋、粘砂、缺肉等還未解決，尚待進一步研究。尤其是采用V法來直接制造熱作模具至今尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)用各種模具鑄造成型工藝存在的上述缺點，提供一種工藝簡單、成本低廉、型砂可重復使用、無污染、符合綠色鑄造要求的熱作模具近終形精鑄成型方法。
本發(fā)明人的研究認為，V法鑄造是實現(xiàn)上述目的的最佳方法之一，但本發(fā)明涉及的采用V法來直接制造熱作模具尚有許多技術難題需要解決。
V法鑄造在覆膜、造型、澆注及凝固過程中對真空度的要求是不同的，現(xiàn)有關于V法鑄造的技術文獻都要求在澆注及凝固過程中采用較高的真空度來維持鑄型的強度，并將這種高真空度保持較長時間(30分鐘以上)以防止塌箱、脹砂、掉砂等。事實上，這是一種誤區(qū)，這種傳統(tǒng)的V法操作工藝正是造成粘砂和裂紋缺陷的主要原因，對具有較高的裂紋敏感性的合金熱作模具鋼更是如此。由于鑄造過程操作不當或切割冒口時局部過熱，都可能在鑄造毛坯表面產(chǎn)生微裂紋而嚴重影響模具的使用壽命。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，微裂紋的產(chǎn)生與澆注時真空度的高低及保持真空的時間有直接關系。V法鑄型的強度、硬度、退讓性等與真空造成的壓差密切相關，澆注瞬間鋼液與鑄型表面發(fā)生強烈的熱的、機械的、化學的相互作用，真空度的提高不僅使鑄型保持較高的強度和較差的退讓性，也將促使鋼液向砂層滲透，造成粘砂、毛刺甚至燒結等。隨著時間的延長，鑄件表層凝固形成的硬殼收縮與鑄型緊縮分離形成縫隙，在真空抽吸作用下，冷空氣沿縫隙高速流動，造成高溫固相金屬表面局部冷速過高，氧化加速，表層應力增加，從而導致鑄造模具表面微裂紋的出現(xiàn)，這就是所謂“穿堂風”裂紋形成機制。這種微裂紋在鑄件冷卻和熱處理過程中進一步擴展，嚴重時機加工后表面即可觀察到。此外，冒口根部的縮松及去除冒口時氣割的使用也可能導致裂紋的產(chǎn)生。本發(fā)明除采用非切割發(fā)熱保溫冒口加強補縮、避免氣割外，還改變了V法鑄造的傳統(tǒng)觀念，把澆注及凝固過程中的真空度降低，真空度保持時間縮短，很好地解決了合金熱作模具鋼V法鑄造粘砂及微裂紋問題。
本發(fā)明的技術方案是采用獨特的V法(真空密封造型)近終形精鑄成型工藝，配合吉林大學自行研制的新型鑄造熱作模具鋼，直接由液態(tài)金屬近終形成型制作各類熱作模具。其工藝各階段壓力控制為覆模與造型時為0.04～0.07Mpa，澆注過程中為0.03～0.06Mpa，澆注結束時為0.08～0.09Mpa，澆注結束7～15分鐘后，撤去真空，壓力恢復至0.1Mpa。通過壓力參數(shù)的動態(tài)控制和真空保持時間的縮短，避免金屬液滲透造成的粘砂及“穿堂風”機制產(chǎn)生的鑄坯表面微裂紋。
本工藝選用可循環(huán)使用的無粘結劑的石英砂、鋯英砂或鉻鐵礦砂作為造型材料，用過的舊砂幾乎可全部循環(huán)回用；采用醇基快干涂料非占位刷涂以保證型腔尺寸精度、動態(tài)密封性及耐火度；采用容易去除的非切割發(fā)熱保溫冒口，強化補縮，避免鑄造裂紋和切割開裂。
本發(fā)明具有以下積極效果1、同傳統(tǒng)的模具制造方法相比，本發(fā)明改變了熱作模具必須由鍛造模塊經(jīng)機加工而成的傳統(tǒng)觀念，將帶有復雜型腔的熱作模具直接鑄出，從而取消了鍛造工序。不僅節(jié)省鍛造能源，避免了合金燒損、鍛造廢品及環(huán)境污染等，而且提高了材料利用率，減少切削加工量和機加工工時，大大縮短了模具制造周期。精鑄成型成分設計靈活，對模具結構變化反應靈敏，廢棄模具、切屑、料頭等可以很方便地重熔回用，在節(jié)省大量貴重的Cr、Mo、Ni等合金資源的同時，還明顯地提高了模具使用壽命。
2、同其它精密鑄造方法相比，V法鑄造是綠色的物理成型方法，操作簡單，成本低廉，由于模樣上面覆有薄膜并刷有涂料，因而鑄件表面光潔、表面粗糙度細；真空吸力造成鑄型緊縮、起模容易，不用振動、敲擊，不留拔模斜度亦能起出模樣，合金充型能力提高，因而鑄件輪廓清晰、尺寸精度高，模樣壽命長；干砂造型，不加水、不加粘結劑和任何附加物，澆注時不產(chǎn)生有害氣體，不污染環(huán)境，可穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)鑄件；造型不用“緊實”、落砂不用震擊，大大簡化了砂處理工序，勞動強度降低、作業(yè)環(huán)境改善，舊砂幾乎可全部回用(回用率大于95％)。
3、同一般V法鑄造相比，本發(fā)明首次把V法鑄造技術用于熱作模具制造，并將非占位涂料、非切割保溫發(fā)熱冒口及鑄造成型過程中各階段真空度等工藝參數(shù)控制技術與之集成，改變了V法鑄造在澆注及凝固過程中保持較高真空度并維持較長時間的傳統(tǒng)觀念，較好地解決了一般V法鑄造難以解決的塌箱、粘砂以及鑄造合金熱作模具鋼在液態(tài)成型和澆冒口去除過程中的裂紋敏感性等問題。


圖1是用本發(fā)明方法成型的汽車五速齒輪模具毛坯照片。
圖2是本發(fā)明方法鑄造型腔照片。
具體實施例方式
結合以下實施例對本發(fā)明方法作進一步詳細闡述。
采用V法精鑄成型技術澆注吉林大學自行研制的新型鑄造熱鍛模具鋼制造汽車五速齒輪機鍛模具，上模尺寸φ285mm×95mm，上模重量47.3kg，下模尺寸φ285mm×95mm，下模重量52.3kg。
本發(fā)明采用吉林大學自行研制的適合鑄造使用的新型鑄造熱作模具鋼，其化學成分為C0.15～0.35，Cr1.5～3.75，Mo0.5～2.5，Ni0.6～2.5，V0.1～0.8，W0.1～0.8，Mn0.2～0.6，Si0.2～0.5，S、P≤0.04。鋼的熔煉采用中頻感應電爐不氧化法煉鋼工藝，出鋼時在包內(nèi)沖入Ti、RE、Ca等進行復合變質(zhì)處理及包內(nèi)吹氬進行凈化、均勻化處理。V法精鑄成型工藝過程如下模樣拔模斜度取1°，縮尺2.0％，鑄型緊縮負余量加0.5mm，底面與側面各留加工余量1.5～2mm，頂面留5mm加工余量。每箱放兩件，半封閉式澆注系統(tǒng)，每件頂部放置冒口頸為φ60mm的非切割保溫發(fā)熱冒口。覆膜采用0.1mm厚EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)塑料薄模，真空系統(tǒng)由水環(huán)式真空泵、濾氣罐、儲氣罐及儀表、閥門等組成。EVA薄膜由遠紅外電熱器加熱，加熱溫度約80℃左右，當薄膜出現(xiàn)鏡面并開始下垂時迅速覆膜，此時抽氣箱壓力控制在0.05MPa，配制醇基鋯英粉快干涂料，在薄膜上靠型砂一側非占位刷涂兩遍，厚度約1mm，熱風機吹干。放上側吸式V法專用砂箱，添入70/140目人造石英砂(干砂、無其它任何添加劑)，在型砂振實臺上振動緊實2分鐘以上，刮去余砂，放上背膜、抽氣密封成型，此時箱內(nèi)壓力亦控制在0.05Mpa。翻箱、起模、合箱等與普通砂型鑄造基本相同，但澆注時真空系統(tǒng)應保持足夠的抽氣量，壓力控制在0.04Mpa，澆注結束時迅速升至0.08～0.09Mpa，澆注結束7分鐘后(根據(jù)鑄件當量厚度和凝固數(shù)值模擬結果選擇時間)撤去真空，壓力恢復為0.1Mpa，自然冷卻3小時后打箱落砂，冒口及澆注系統(tǒng)直接錘擊去除，不用切割。鑄出的模具毛坯輪廓清晰、表面光潔，經(jīng)測量其尺寸精度為CT6-8級，表面粗糙度為Ra6.3～12.5μm，無粘砂、鑄造裂紋、缺肉等鑄造缺陷，且模具補縮良好，工藝出品率高達70％。
所制模具經(jīng)熱處理、精加工后，在2～4萬KN機械錘壓機上進行現(xiàn)場裝機試驗，并與原來B2鋼鍛造模塊機加工而成的同類模具對比，使用結果見表1。
表1、近終形V法精鑄新型熱鍛模具現(xiàn)場使用結果

權利要求
1.一種熱作模具近終形鑄造方法，其特征是用獨特的V法近終形精密鑄造成型工藝，其工藝各階段壓力控制為覆模與造型時為0.04～0.07Mpa，澆注過程中為0.03～0.06Mpa，澆注結束時為0.08～0.09Mpa，澆注結束7～15分鐘后，撤去真空，壓力恢復至0.1Mpa。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱作模具近終形鑄造方法，其特征是選用可循環(huán)使用的無粘結劑的石英砂、鋯英砂或鉻鐵礦砂作為造型材料，采用醇基快干涂料非占位刷涂。
3.根據(jù)權利要求1所述的熱作模具近終形鑄造方法，其特征是采用容易去除的非切割發(fā)熱保溫冒口，強化補縮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱作模具近終形精鑄成型方法。其目的是克服現(xiàn)用各種模具鑄造成型工藝存在的粘砂、缺肉裂紋等缺點，提供一種工藝簡單、成本低廉、型砂可重復使用、無污染、符合綠色鑄造要求的熱作模具近終形精鑄成型技術。該方法是用獨特的V法近終形精密鑄造成型工藝，并將非占位涂料、非切割保溫發(fā)熱冒口及鑄造成形過程中各階段真空度等工藝參數(shù)動態(tài)控制技術與之集成。其工藝各階段壓力控制為覆模與造型時為0.04～0.07MPa，澆注過程中為0.03～0.06MPa，澆注結束時為0.08～0.09MPa，澆注結束7～15分鐘后，撤去真空，壓力恢復至0.1MPa。
文檔編號B22D18/06GK1451502SQ0311101
公開日2003年10月29日 申請日期2003年2月13日 優(yōu)先權日2003年2月13日
發(fā)明者趙宇光, 姜啟川, 夏振佳, 趙玉謙, 張瑞卿, 李國清, 方健儒, 王樹奇, 關慶豐, 王春生, 金勝燦, 侯駿, 王惠遠, 王金國 申請人:吉林大學